主存储器(main memory)简称“主存”,是计算机硬件的一个重要部件,其作用是存放指令和数据,并能由中央处理器(CPU)直接随机存取。现代计算机为了提高性能,又能兼顾合理的造价,往往采用多级存储体系。即由存储容量小、存取速度高的高速缓冲存储器与存储容量和存取速度适中的主存储器构成。主存储器是按地址存放信息的,存取速度一般与地址无关。32位(bit)的地址最大能表达4 GB的存储器地址。这对多数应用已经足够,但对于某些特大运算量的应用和特大型数据库已显得不够,从而对64位结构提出需求。

主存储器一般采用半导体存储器,与辅助存储器相比,有容量小、读写速度快、价格高等特点。计算机中的主存储器主要由存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址译码电路五部分组成。

(1)主存的存储容量

在一个存储器中容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量。存储容量用字数或字节数(B)来表示,如64 KB、512 KB、10 MB。外存中为了表示更大的存储容量,采用MB、GB、TB等单位。其中1 KB=210 B,1 MB=220 B,1 GB=230 B,1 TB=240 B。现在计算机基本上都是以GB为存储单位。

(2)主存的技术指标

①存储容量。在一个存储器中可以容纳的存储单元总数,表现为存储空间的大小,单位为B。

②存取时间。启动到完成一次存储器操作所经历的时间,表示为主存的速度,单位为ns。③存储周期。连续启动两次操作所需间隔的最小时间,表示为主存的速度,单位为ns。

④存储器带宽。单位时间里存储器所存取的信息量,它是衡量数据传输速率的重要技术指标,单位:b/s(位/秒)或B/S(字节/秒)。

⑤字地址。存放一个机器字的存储单元,通常称为字存储单元,相应的单元地址,称为字地址。

⑥字节地址。存放一个字节的单元,称为字节存储单元,相应的地址也称之为字节地址。

例如,Windows10操作系统下的计算机,一个64位二进制的字存储单元可存放8个字节,可以按字地址寻址,也可以按字节地址寻址。当用字节地址寻址时,64位的存储单元占8个字节地址。

(3)主存的分类

1)RAM

随机存储器(Random Access Memory,RAM)。其存储单元的内容可按需随意取出或存入,且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容,故主要用于存储短时间使用的程序。

①RAM的组成。RAM由存储矩阵、地址译码器、读/写控制器、输入/输出、片选控制等几部分组成。

a.存储矩阵。它是RAM的核心部分,是一个寄存器矩阵,用来存储信息。

b.地址译码器。它的作用是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号,从而选中该存储单元。

c.读/写控制器。访问RAM时,对被选中的寄存器进行读操作或写操作,是通过读写信号来进行控制的。读操作时,被选中单元的数据经数据线、输入/输出线传送给CPU(中央处理单元);写操作时,CPU将数据经输入/输岀线、数据线存入被选中单元。

d.输入/输出。RAM通过输入/输岀端与计算机的CPU交换数据,读出时它是输岀端,写入时它是输入端,一线两用,由读/写控制线控制。输入/输出端数据线的条数,与一个地址中所对应的寄存器位数相同,也有的RAM芯片的输入/输出端是分开的。通常RAM的输出端都具有集电极开路或三态输出结构。

e.片选控制。由于受RAM的集成度限制,一台计算机的存储器系统往往由许多RAM组合而成。CPU访问存储器时,一次只能访问RAM中的某一片(或几片),即存储器中只有一片(或几片)RAM中的一个地址接受CPU访问,与其交换信息,而其他片RAM与CPU不发生联系,片选就是用来实现这种控制的。通常一片RAM有一根或几根片选线,当某一片的片选线接入有效电平时,该片被选中,地址译码器的输出信号控制该片某个地址的寄存器与CPU接通;当片选线接入无效电平时,则该片与CPU之间处于断开状态。

②RAM的分类。按照存储信息的不同,随机存储器又分为静态随机存储器(Static RAM,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic RAM,DRAM)。

SRAM在不断电的情况下信息能一直保持不丢失,读取速度快,但容量小、价格高。

a.存储原理:由触发器存储数据。

b.优点:速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低。

c.缺点:元件数多、集成度低、运行功耗大。

DRAM中的信息会随时间逐渐消失,需要定时对其进行刷新以维持信息不丢失。DRAM读取速度较慢,但它的造价低廉、集成度高。

a.存储原理:利用MOS管栅极电容上的电荷来记忆信息,需刷新(早期:三管基本单元;之后:单管基本单元)。

b.优点:集成度远高于SRAM,功耗低,价格也低。

c.缺点:因需刷新而使外围电路复杂;刷新也使存取速度较SRAM慢,在计算机中,DRAM常用作主存储器。

计算机使用的SDRAM内存,DDR内存,DDR2、DDR3、DDR4、DDR5内存都属于DRAM。例如DDR3,如图3.4所示。

图3.4　DDR3内存条(www.daowen.com)

2)ROM

只读存储器(Read Only Memory,ROM),如图3.5所示。它主要用来存放一些固定的程序,如主板、显卡和网卡上的BIOS(Basic InputOutput System)就固化在ROM中,因为这些程序和数据的变动概率都很低。与RAM不同的是,对于ROM中的数据,一次性写入,而不能改写,且ROM中的程序和数据不会因为系统断电而丢失。随着ROM存储技术的发展,一种用于主板BIOS的可擦除、可编程、可改写的EEPROM已出现,并被广泛使用,实现了主板BIOS在线升级,为用户提高BIOS的性能提供了可能。

图3.5　ROM

①ROM主要组成

ROM由地址译码器、存储体、读出线及读出放大器等部分组成,如图3.6所示。ROM是按地址寻址的存储器,由CPU给出要访问的存储单元地址。ROM的地址译码器是与门的组合,输出是全部地址输入的最小项(全译码)。n位地址码经译码后有2n种结果,驱动选择2n个字,即W=2n。存储体是由熔丝、二极管或晶体管等元件排成W×m的二维阵列(字位结构),共W个字,每个字m位。存储体实际上是或门的组合,ROM的输出线位数就是或门的个数。由于它工作时只是读出信息,因此可以不必设置写入电路,这使得其存储单元与读出线路也比较简单。

图3.6　ROM的基本结构

②ROM的工作过程

CPU经地址总线送来要访问的存储单元地址,地址译码器根据输入地址码选择某条字线,然后由它驱动该字线的各位线,读出该字的各存储位元所存储的二进制代码,送入读出线输出,再经数据线送至CPU,如图3.7所示。

图3.7　ROM的工作过程

③ROM的分类

a.掩膜编程的只读存储器

掩膜只读存储器(Mask ROM,MROM)中存储的信息由生产厂家在掩膜工艺过程中“写入”。在制造过程中,将资料以一特制光罩(Mask)烧录于线路中,有时又称为“光罩式只读内存”,此内存的制造成本较低,常用于电脑中的开机启动。其行线和列线的交点处都设置了MOS管,在制造时的最后一道掩膜工艺,按照规定的编码布局来控制MOS管是否与行线、列线相连。相连者定为“1”(或“0”),未连者为“0”(或“1”),这种存储器一旦由生产厂家制造完毕,用户就无法修改。MROM的主要优点:存储内容固定,掉电后信息仍然存在,可靠性高。其缺点:信息一次写入(制造)后就不能修改,很不灵活且生产周期长,用户与生产厂家之间的依赖性大。

b.可编程只读存储器

可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory,PROM)允许用户通过专用的设备(编程器)一次性写入所需要的信息,其一般可编程一次,PROM存储器出厂时各个存储单元皆为“1”,或皆为“0”。用户使用时,再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。

PROM的种类很多,需要用电和光照的方法来编写与存放程序和信息。例如,双极性PROM有两种结构:一种是熔丝烧断型,另一种是PN结击穿型。PROM中的程序和数据是由用户利用专用设备自行写入的,一旦编程完毕和一经写入便无法更改,将永久保存。PROM具有一定的灵活性,适合小批量生产,常用于工业控制机或电器中。

c.可编程可擦除只读存储器

可编程可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)可多次编程,是一种以读为主的可写可读的存储器,也是一种便于用户根据需要来写入,并能将已写入的内容擦去后再改写的ROM。存储内容的方法可以采用以下方法进行:电的方法(电可改写ROM)或用紫外线照射的方法(光可改写ROM)。抹除时,将线路曝光于紫外线下,则资料可被清空,并且可重复使用,通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗,以方便曝光,然后用写入器重新写入新的信息。EPROM比MROM和PROM更方便灵活,经济实惠。但是,EPROM采用MOS管,速度较慢。

d.电可擦除可编程只读存储器

电可擦除可编程序只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)是一种随时可写入而无须擦除原先内容的存储器,其写操作比读操作时间要长得多,EEPROM把不易丢失数据和修改灵活的优点组合起来。修改时,只需使用普通的控制、地址和数据总线。EEPROM运作原理类似EPROM,但抹除的方式是使用高电场来完成,因此,不需要透明窗。EEPROM比EPROM集成度低,成本较高,一般用于保存系统设置的参数、IC卡上存储信息、电视机或空调中的控制器。但由于其可以在线修改,所以可靠性不如EPROM。

e.快擦除读写存储器

快擦除读写存储器(flash memory)是英特尔公司发明的一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器,它既有EEPROM的特点,又有RAM的特点,是一种全新的存储结构,俗称“快闪存储器”。它是在20世纪80年代中后期首次推出的。快闪存储器的价格和功能介于EPROM和EEPROM之间。与EEPROM一样,快闪存储器使用电可擦技术,整个快闪存储器可以在一秒至几秒内被擦除,速度比EPROM快得多。另外,它能擦除存储器中的某些块,而不是整块芯片。然而快闪存储器不提供字节级的擦除,与EPROM一样,快闪存储器每位只使用一个晶体管,因此能获得与EPROM一样的高密度(与EEPROM相比较)。“闪存”芯片采用单一电源(3 V或5 V)供电,擦除和编程所需的特殊电压由芯片内部产生,因此,可以在线系统擦除与编程。“闪存”也是典型的非易失性存储器,在正常使用情况下,其浮置栅中所存电子可保存100年而不丢失。目前,闪存已广泛用于制作各种移动存储器,如U盘及数码相机或摄像机所用的存储卡等。

3)高速缓冲存储器

由于CPU执行指令的速度比内存的读写速度要大得多,所以在存取数据时会使CPU等待,影响CPU执行指令的效率,从而影响计算机的速度。

为了解决这个瓶颈,在CPU和内存之间增设了一个高速缓冲存储器,称为Cache。Cache的存取速度比内存快(因而也就更昂贵),但容量不大,主要用来存放当前内存中频繁使用的程序块和数据块,并以接近于CPU的速度向CPU提供程序指令和数据。一般来说,程序的执行在一段时间内总是集中于程序代码的一个小范围内。

如果一次性将这段代码从内存调入缓存中,缓存便可以满足CPU执行若干条指令的要求。只要程序的执行范围不超出这段代码,CPU对内存的访问就演变成对高速缓存的访问。因此,缓存可以加快CPU访问内存的速度,从而也就提升了计算机的性能。由于主板和CPU都提供了缓存,主板、CPU、内存和缓存示意图如图3.8所示。

图3.8　主板、CPU、内存和缓存示意图